Material Semikonduktor
Bila ditinjau dari sifat listriknya, suatu bahan zat padat dapat dikelompokan menjadi
beberapa bagian:
1. Bahan isolator yang memiliki harga resistivitas antara 1014 – 1022 Ω.cm
2. Bahan semikonduktor yang memiliki harga resistivitas antara 10-2 – 109 Ω.cm
3. Bahan konduktor yang memiliki harga resistivitas 10-5Ω.cm
Ketiga jenis bahan tersebut banyak dimanfaatkan untuk bahan baku pembuatan komponen-
komponen elektronik, misalnya bahan isolator banyak digunakan sebagai lapisan dielektrik
pada kapasitor metal-oksida-semikonduktor, bahan semikonduktor digunakan sebagai lapisan
aktif pada komponen-komponen elektronik maupun komponen optoelektronik sedangkan
konduktor sering digunakan untuk pembuatan kontak pada komponen elektronik.
Fokus pembahasan kita pada modul ini adalah tentang bahan semikonduktor. Setiap
bahan semikonduktor memiliki karakteristik fisis tertentu sehingga dalam aplikasinya harus
merujuk pada karakteristik fisisnya tersebut sebagai contoh untuk aplikasi sensor sinar
ultraviolet yang tingkat sensitifitasnya tinggi tentu kita harus memilih bahan yang memiliki
energi gap yang cukup lebar seperti semikonduktor galium nitrida dengan energi gap sekitar
3,4 eV. Kita bisa juga menggunakan bahan silikon untuk aplikasi sensor ultraviolet namun
divais ini kurang sensitif dibandingkan bahan galium nitrida.
Pada awal perkembangannya bahan semikonduktor yang pertama kali dieksplorasi
adalah Germanium, namun sampai saat ini bahan semikonduktor yang banyak diteliti untuk
bahan baku pembuatan divais elektronik maupun optoelektronik adalah Silikon dengan
pertimbangan bahan silikon cukup melimpah di alam ini dan harganya relatif murah. Selain
silikon material lain yang banyak dipelajari dan diteliti adalah material paduan dari golongan
II-VI atau III-V dalam tabel periodik (gambar 1) baik binary (paduan 2 unsur) maupun
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
2
Modul 4 Semikonduktor
ternary (paduan 3 unsur) seperti ZnO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaSb, AlGaN, AlGaSb,
GaNAs dan sebagainya dimana material-material paduan tersebut masing-masing memiliki
ciri khas dan keunikan tersendiri baik dari sifat listrik maupun sifat optiknya yang aplikasinya
dapat disesuaikan dengan karakteristik fisisnya masing-masing.
Gambar 1 Unsur-unsur yang banyak digunakan sebagai bahan semikonduktor
B. Model Ikatan atom pada bahan Semikonduktor
Kristal semikonduktor tersusun dari atom-atom yang letaknya saling berdekatan dan
saling berikatan satu sama lain membentuk suatu ikatan kristal yang disebut ikatan kovalen.
Sebagai ilustrasi dari model ikatan kristal tersebut, di bawah ini digambarkan terbentuknya
ikatan kristal pada bahan Silikon. Gambar 2a menunjukan ilustrasi ikatan kovalen dari atom
Silikon pada kondisi temperature nol Kelvin, untuk kasus ini setiap atom Silikon
menyumbangkan satu electron untuk tiap pasangan ikatan kovalen. Apabila kristal
semikonduktor tersebut diberi energi termal dengan kata lain temperaturnya dinaikan, maka
penambahan energi termal tersebut dapat menyebabkan putusnya ikatan kovalen, hal ini
dapat membangkitkan pasangan elektron-hole dimana elektron tersebut dapat bebas dari
keadaan valensi ke keadaan konduksi sedangkan kekosongan yang ditinggalkan elektron akan
menjadi hole seperti nampak pada gambar 2b.
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
3
(a)
(b)
Modul 4 Semikonduktor
Gambar 2 Gambaran ikatan kovalen atom silikon pada kondisi (a) temperatur nol
Kelvin, (b) pada temperatur di atas nol Kelvin
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
4
C. Model Pita Energi Semikonduktor
Modul 4 Semikonduktor
Setiap atom penyusun kristal semikonduktor memiliki sejumlah elektron valensi pada
kulit terluarnya yang menempati keadaan valensi (gambar 3b), keadaan elektron valensi ini
memiliki tingkat energi yang besarnya EV. Elektron valensi ini berkontribusi pada
pembentukan ikatan kovalen antara atom-atom penyusun kristal semikonduktor. Sedangkan
keadaan dimana elektron sudah terbebas dari ikatan kovalen disebut keadaan konduksi
dengan tingkat Energi EC (gambar 3a). Apabila kristal semikonduktor tersebut temperaturnya
dinaikan maka akan ada penambahan energi termal yang menyebabkan terputusnya ikatan
kovalen yang terbentuk. Pemutusan ikatan kovalen ini akan menghasilkan elektron bebas
yang sudah dalam keadaan konduksi dengan tingkat energi EC. Pada gambar 3c diilustrasikan
keadaan elektron konduksi dimana setelah terjadinya pemutusan ikatan kovalen, elektron
valensi pada tingkat energy EV akan berpindah kekeadaan konduksi dengan tingkat Energi
EC. Selisih antara tingkat energi konduksi dengan tingkat energi valensi ini dinamakan energi
celah pita (energy gap) dimana energi gap tersebut merupakan energi minimal yang
dibutuhkan untuk memutuskan ikatan kovalen pada kristal semikonduktor.
(a) (b) (c)
Gambar 3. Model pita energi bahan semikonduktor
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
5
D. Tipe Semikonduktor
Modul 4 Semikonduktor
Tabel 1 Energi gap bahan semikonduktor
Bahan semikonduktor dapat dibedakan dari jenis muatan pembawanya, yaitu
semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik merupakan
semikonduktor murni yang belum diberikan atom pengotor (impuritas). Apabila
semikonduktor intrinsik ini dipanaskan maka akan terbentuk pasangan elektron-hole dimana
elektron bermuatan negative dan hole dapat dianggap sebagai muatan positif. Konsentrasi
elektron pada semikonduktor intrinsik sama dengan konsentrasi hole-nya yang dirumuskan :
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
6
Modul 4 Semikonduktor
Sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan konsentrasi hole-nya
tidak sama hal ini disebabkan oleh adanya penambahan muatan pembawa akibat adanya atom
pengotor. Sebagai contoh pemberian atom pengotor fosfor yang memiliki elektron valensi 5
pada semikonduktor silikon yang bervalensi 4 akan menyebabkan adanya satu elektron yang
tidak terpasangkan untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini dapat
menyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan. Semikonduktor jenis ini dinamakan
semikonduktor tipe-n (negatif) karena didominasi oleh muatan pembawa elektron (gambar 4)
Gambar 4 kristal silikon yang diberi pengotor fosfor
Apabila kristal Silikon diberi atom pengotor Boron yang memiliki elektron valensi 3
maka akan terbentuk ikatan kovalen yang tidak sempurna karena terdapat satu kekosongan
(hole) yang tidak terisi elektron. Sehingga dengan demikian muatan pembawa pada kristal
silikon yang telah diberi pengotor Boron akan didominasi oleh muatan positif (hole) sehingga
kristal silikon akan bertipe-p (positif) (gambar 5)
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
7
Modul 4 Semikonduktor
Gambar 5 Kristal Silikon yang telah diberi atom pengotor Boron
E. Tipe arus listrik pada Semikonduktor
Keberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi karakteristik
listrik pada bahan tersebut. Ada dua jenis arus listrik yang terjadi pada semikonduktor yaitu
arus hanyut (drift) dan arus difusi.
1. Arus Hanyut (Drift)
Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-partikel
bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan laju yang
berbanding lurus dengan medan listriknya.
Laju hanyut elektron
Laju hanyut
Dimana
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
8
Rapat arus drift untuk elektron adalah:
Rapat arus drift untuk hole adalah:
Modul 4 Semikonduktor
Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktor adalah penjumlahan dari rapat arus
drift elektron dengan rapat arus drift hole :
Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor:
=q(n n + p p) (1/Ω.cm)
Dan resistivitasnya = 1/ (Ω.cm)
2. Arus Difusi
Arus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa.
Arus difusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang
memiliki konsentrasi rendah. Arus difusi akan sebanding dengan gradien
konsentrasi yang dirumuskan :
Arus difusi untuk hole
Arus difusi untuk elektron
Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
9
Modul 4 Semikonduktor
Rapat arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift dengan arus
difusi yang dirumuskan :
Rapat arus total untuk elektron
Rapat arus total untuk hole
